2.1.1 LED基础知识

发光二极管（Light-Emitting Diode，简称LED）是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早在1962年就已出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到一定程度。

迄今为止，LED的主要应用领域是手机、平板电脑、数码相机、MP3/MP4小尺寸彩屏和中/大尺寸液晶电视的背光照明、景观照明、汽车内部（如仪表板、阅读灯）和外部照明（如尾灯、制动灯、方向灯、头灯等）、交通信号灯和显示屏，这些应用领域都是相对成熟的；在安全照明方面，主要有矿灯、防爆灯、应急灯和安全指示灯等；在专用普通照明方面，LED的应用产品有手电筒、廊灯、门牌灯、庭院灯和阅读灯（飞机、火车和汽车上的阅读灯）等。

1.LED发光原理

LED是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。LED与普通二极管一样是由一个PN结组成的，也具有单向导电性，即正向导通特性、反向截止特性和击穿特性。在一定条件上，它还具有发光特性。

LED 通常是由 III-V 族化合物半导体（直接带隙）发光材料（如 GaAs、GaN-InN-AIN和GaP等）制成的。如果在硅（Si）单晶的一半中掺入III族元素镓（Ga），则形成P型半导体材料；在硅单晶的另一半中掺杂了V族元素砷（As），则形成N型半导体材料。Ga被称为受主杂质，而As被称作施主杂质。两块材料结合在一起，即得到PN结。N型半导体中有余量的电子，P型半导体中有余量的空穴，如图2-1所示。电子会从N区扩散到P区，空穴则从P区扩散到N区，电子和空穴相互扩散的结果是在PN结处形成一个耗尽层。耗尽层具有一定的势垒，能阻止电子和空穴的进一步扩展，于是使PN结处于平衡状态。

如果给PN结外加一个正向偏置电压，则PN结的势垒将会减小，N型半导体中的电子将会注入到P型半导体中，P型半导体中的空穴则会注入到N型半导体中，从而出现非平衡状态。这些注入的电子和空穴在PN结处相遇发生复合，复合时将多余的能量以光能的形式释放出来，从而可以观察到PN结发光，这就是PN结发光的机理，如图2-2所示。当电子和空穴发生复合时，还有一些能量以热能的形式散发出来。

如果给PN结加反向电压，PN结的内部电场则被增强，电子（负电荷粒子）与空穴（正电荷粒子）难以注入，故不发光。

通过电子（负电荷粒子）与空穴（正电荷粒子）的复合电发光原理制作的二极管就是常说的发光二极管，即 LED。调节电流，便可以调节光的强度，通过调整材料的能带结构和带隙，可以改变发光颜色。

图2-2中的E _g 为势垒高度，也称禁带宽度，单位是电子伏（eV），光的波长λ与所选用半导体材料的E _g 有关，并可以表示为λ=1239/E _g 。

可见光的波长一般在380～780nm之间，相应材料的E _g 为3.26～1.63eV。人眼感受和观察到的可见光分为红、橙、黄、绿、青、蓝和紫7种颜色，这些光均为单色光。白光并不是一种单色光，在可见光的光谱中是不存在白光的。白光LED 发出的白光是数种颜色的单色光混合而成的一种复合光。

LED 也可以发出不可见光（其波长范围为850～1550nm）。这类LED被称为不可见光LED。像波长在850～950nm范围的红外线LED就是一种不可见光LED。

2.LED基本结构

1）LED芯片结构

图2-3所示为彩色LED芯片的结构。芯片两端是金属电极（阳极和阴极），底部是衬底材料，在基片上通过外延工艺生长一定厚度的N型层、发光层和P型层。当芯片工作时，P型半导体和N型半导体中的空穴和电子分别注入到发光层并发生复合而产生光。图2-3中的彩色LED芯片结构是一种经简化的抽象示意图，实际的LED芯片因制造工艺的不同，其结构也存在一些差别。

蓝光和紫外光 LED 芯片需加配 YAG 荧光粉或三基色荧光粉才能获得白光，也可将红（R）、绿（G）、蓝（B）三色或更多颜色的LED芯片封装在一起，将它们各自发出的光混合来产生白光。

2）传统LED封装结构

传统LED一般是用透明环氧树脂将LED芯片与导线架（Lead Frame）包覆封装，封装后的镜片形状外形可将芯片产生的光线集中辐射至预期的方向。由于圆柱形状类似于炮弹，因此称之为炮弹型LED。这种LED芯片主要由支架、银胶、晶片、金线和环氧树脂5种物料组成，如图2-4所示。

3.LED的分类

目前，应用日渐普及的LED发光管品种很多，业界对LED分类的方法也比较多，下面简要介绍LED的几种常用分类方法。

1）按发光颜色分

按发光颜色，可分为红光、橙光、绿光（又细分为黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的LED中包含有两种或三种颜色的芯片。

根据LED出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的LED还要分为有色透明、无色透明、有色散射和无色散射4种类型。散射型LED一般作为指示灯使用。

2）按出光面特征分

按出光面特征，可分为圆灯、方灯、矩形灯、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等类型。国外通常把φ3mm的LED记作T-1，把φ5mm的LED记作T-1（3/4），把φ4.4mm的LED记作T-1（1/4）。

3）按封闭结构分

按封闭结构，可分为全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

4）按发光强度和工作电流分

按发光强度和工作电流，可分为普通亮度的LED（发光强度在100mcd以下）和高亮度的LED（发光强度在100mcd以上）。一般LED的工作电流为十几毫安至几十毫安，而小电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。

5）按发光强度角度分

（1）高指向型：一般为金属环氧封装或带金属反射腔封装，且不加散射剂。这种 LED的半值角为5°～20°或更小，具有很强的指向性，可作为局部照明光源使用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。

（2）标准型：通常用作指示灯，其半值角为20°～45°。

（3）散射型：一般作为视角较大的指示灯，其半值角为45°～90°或更大，其特点是所添加散射剂的量较大。

6）按波长分

按波长可分为可见光LED（380～780nm）和不可见光LED（红外线遥控器的LED的波长为850～950nm，光通信光源的LED的波长为1300～1550nm）。

4.LED的电气特性

1）LED的极性

LED的内部结构是PN结半导体，芯片的P型半导体一侧为正极，N型半导体一侧为负极。因此在使用时，“+”的一端接正极，“-”的一端接负极，如图2-5所示。一般炮弹型的正极稍长，而大功率LED和SMD型LED（表面贴装式）的负极有标记。但需注意，产品在不同情况下可能有所变化。安装时，应注意极性问题，如果正、负极接错，不但灯不亮，还会损坏LED。

特别值得注意的是，LED 的反向耐压仅为几伏，不能直接与交流电相接，如果由于设计需要将LED用于交流电路，则必须接入反向二极管。

2）电压-电流特性（伏-安特性）

由于 LED 的核心是一个 PN 结，因此它具有半导体二极管的电气特性。图2-6所示是LED 的伏安（U-I）特性曲线。LED 具有非线性和单向导电性，只有给 LED 外另一个正向偏置电压，LED才会导通而发光。

图2-6所示a点对应于开启电压（即导通门限电压）。当外加电压V<V _a 时，LED呈现高阻抗，不会发光。不同材料制备的不同光色的LED，其开启电压也不相同。小功率彩色LED的开启电压通常为1～2.5V，而白光LED的开启电压高于彩色LED的开启电压。

当外加电压V<V _a 时，LED进入正向工作区，通过LED的电流与外加电压呈指数关系。

当LED反向偏置时，则进入反向截止区，只有一个很小的反向电流通过LED，LED不会发光。在截止区，曲线的反向拐点电压V _R 被称为反向击穿电压，此时通过LED的电流I _R 即为反向电流。

当外加电压V>V _R 时，LED则进入反向击穿区，反向电流急剧增大。

根据LED的伏安特性，LED的主要电气性参数归纳为以下几种。

（1）正向（工作）电流I _F 。LED在正常发光时的正向电流值为正向电流。普通LED的正向电流I _F 通常仅为10～20mA，而大功率白光LED的I _F 通常为0.35～1.5A。

（2）正向（工作）电压V _F 。LED通过正向电流I _F 时在其两个电极之间产生的电压降为正向电压。传统小功率彩色LED的正向工作电压大多为1.4～2.8V（I _F =20mA）时，而白光LED的正向工作电压通常为3～4V。

（3）反向（击穿）电压 V _R 。被测 LED 通过规定反向电流（如10mA）时在两极间所产生的电压降为反向电压。由于制作LED芯片所使用的半导体材料不同，V _R 值也就不同。例如，InGaN LED的V _R =7V，而AIInGaP LED的V _R 达20V。

（4）反向电流I _R 。在LED两端施加确定的反向电压时，流过LED的电流为反向电流，该电流一般不大于10μA。

（5）允许功耗P。保证LED安全工作的最大功率耗散值为允许功耗。在LED应用设计时，LED的实际功耗（P=I _F V _F ）应不大于LED的允许功耗。

LED芯片的电压-电流特性会受到发光芯片材料的影响。LED与传统光源最大的不同在于具有二极管的特征。从电压-电流特性曲线可以看出，电压稍加变动，电流就会立刻增大，从而导致亮度不移稳定。因此，当外加电压有可能超过正向电压时，建立接入限流电压，如图2-7所示；否则，当外加电压发生波动时，会导致正向电压过压，形成过电流并通过LED，从而造成其损坏。

即使LED以并联方式连接也一样。LED的电压-电流特性随产品会有偏离，在并联情况下，正向电压将是其中电压最低的LED的电压值。这时电压低的LED中将会有更大的电流通过，而电压高的LED中仅有少量电流通过，这样就会导致LED之间存在亮度差，有时这会成为问题。如果电流差过大，则有可能导致 LED 损坏。当必须并联连接时，应使用具有相近电压-电流特性的LED产品。

虽然LED具有二极管的特性，但却没有整流二极管那样的反向耐压（一般为几伏），因此，在某些产品的内部装有防静电的防护二极管，这些产品如果加了反向电压就会短路，因此使用中如存在反向电压的可能，则必须接入反向二极管。

3）响应时间

LED 的响应时间是标志反应速度的一个重要参数，尤其在脉冲驱动或电调制时显得非常重要。响应时间是指输入正向电流后LED开始发光（上升）和熄灭（衰减）的时间。LED的上升时间随着电流的增大近似按指数规律衰减。直接跃迁材料（如GaAs1-xPx）的响应时间仅为几纳秒，而间接跃迁材料（如GaP）的响应时间则为100ns。

从使用角度来看，LED的响应时间就是LED点亮与熄灭所延迟的时间，如图2-8中的t _r 、t _f 。图2-8中的t ₀ 值很小，可忽略。LED 的响应时间主要取决于载流子的寿命、器件的结电容及电路阻抗。

（1）LED 的时间 t _r （上升时间）。t _r 是指从接通电源使发光强度达到正常值的10%开始，一直到发光强度达到正常值的90%所经历的时间。

（2）LED 的熄灭时间 t _f （下降时间）。t _f 是指从正常发光减弱至原来的10%所经历的时间。

用不同材料制造的 LED 的响应时间各不相同，如 GaAs、GaAsP、GaAlAs LED的响应时间小于10 ^-9 s，GaP LED为10 ^-7 s。因此，它们可应用于10～100MHz的高频系统。

5.LED的使用连接方式

LED灯有两种连接方法：当LED灯的阳极与板子上的数字I/O口相连，数字口输出高电平时，LED 导通，发光二极管发出亮光；数字口输出低电平时，LED 截止，发光二极管熄灭，如图2-9所示。

当LED灯的阴极与板子上的数字I/O口相连，数字口输出高电平时，LED截止，发光二极管熄灭；数字口输出低电平时，LED灯导通，发光二极管点亮。如图2-10所示。